大連化學(xué)物理研究所研制出3D打印鈉離子微型電池
2022-08-25 16:37:44大連化學(xué)物理研究所閱讀量：1999 我要評(píng)論
【化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng) 技術(shù)前沿】近日，大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T與鄭雙好副研究員團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了可形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電極油墨與高離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)油墨，顯著提高了3D打印高載量微電極中的電子和離子傳輸效率，研制出高容量、高倍率柔性化鈉離子微型電池。
可穿戴電子產(chǎn)品與微電子器件的發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)高性能、多功能、可定制以及柔性化微功率源的研究。平面鈉離子微型電池由于鈉資源豐富、成本低且鈉離子傳輸較快等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種有前景的新型微功率源。目前，鈉離子微型電池通過微加工技術(shù)制備出的微電極通常厚度有限(<10μm)，使得其面積容量低于0.04mAh/cm2，難以滿足對(duì)更高面積容量的需求。為此，需要發(fā)展一種高效可行的策略來構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的鈉離子微型電池(電極厚度>100μm)，以充分利用有限的空間。然而，厚電極中因彎曲度高、離子擴(kuò)散路徑長、電極材料利用不充分，阻礙了電子/離子的快速傳輸和轉(zhuǎn)化，從而難以實(shí)現(xiàn)高性能鈉離子微型電池的構(gòu)筑。
本工作中，該團(tuán)隊(duì)通過3D打印構(gòu)建出高面積比容量、高倍率平面鈉離子微型電池。團(tuán)隊(duì)通過制備具有適當(dāng)粘度和流變特性的3D打印電極油墨，3D打印厚電極(厚度可達(dá)1200μm)具有三維多孔導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了離子傳輸動(dòng)力學(xué)速率，降低了厚電極中的電子傳輸距離，有效地提高了鈉離子微型電池的電化學(xué)性能。所制備的鈉離子微型電池在低電流密度2mA/cm2時(shí)表現(xiàn)出4.5mAh/cm2的高面容量和7.33mWh/cm2的高面能量密度。由于厚電極中有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及高離子電導(dǎo)率的凝膠電解液，該微型電池在高電流密度40mA/cm2時(shí)仍具有3.6mAh/cm2的高面容量以及6000圈的長循環(huán)穩(wěn)定性。此外，得益于多孔微電極結(jié)構(gòu)能夠容納機(jī)械應(yīng)力以及離子液體凝膠電解質(zhì)與基底的強(qiáng)界面相互作用，該鈉離子微型電池表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械柔性。本工作展現(xiàn)了3D打印高性能平面微型電池在可穿戴和便攜式微電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
在構(gòu)筑可打印微型電化學(xué)儲(chǔ)能器件工作中，吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)此前曾開發(fā)出多種打印技術(shù)，如噴涂打印微型超級(jí)電容器(Adv. Mater.，2017；ACS Nano，2017)，絲網(wǎng)印刷微型超級(jí)電容器、鋰離子/鋅錳微型電池(Energy Environ. Sci.，2019；Natl. Sci. Rev.，2020； Adv. Mater.，2021；Small，2021)，噴墨打印微型超級(jí)電容器與自供電溫度傳感集成系統(tǒng)(Adv. Energy Mater.，2021)，3D打印微型超級(jí)電容器與鋅離子雜化電容器(J. Energy Chem.，2021；Adv. Energy Mater.，2022)。
相關(guān)研究成果以“3D Printing Flexible Sodium Ion Micro-batteries with Ultrahigh Areal Capacity and Robust Rate Capability”為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。該工作的第一作者是我所508組博士研究生馬佳鑫。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等項(xiàng)目的資助。(文/圖 馬佳鑫、鄭雙好)
原標(biāo)題：大連化學(xué)物理研究所研制出3D打印鈉離子微型電池
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